高爐本體爐底爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計研究

黃東升

（中冶華天工程技術(shù)有限公司， 江蘇 南京 210019）

當(dāng)前，各種煉鐵新技術(shù)蓬勃發(fā)展，但高爐煉鐵仍然是現(xiàn)代煉鐵的主要方法，這是由于高爐煉鐵具有其他各種新技術(shù)無法比擬的成本優(yōu)勢。高爐煉鐵的核心系統(tǒng)是高爐本體，如何實現(xiàn)高爐本體的高產(chǎn)和長壽是高爐設(shè)計的核心目標(biāo)。評價一代高爐壽命的終結(jié)是以爐缸是否可正常工作為標(biāo)準(zhǔn)，因此爐底爐缸的壽命顯得尤為關(guān)鍵。影響爐底爐缸的壽命的因素很多，實踐表明爐底封板結(jié)構(gòu)形式和爐缸結(jié)構(gòu)形式是決定爐缸的壽命關(guān)鍵兩個方面。

1 爐底密封板設(shè)計

高壓高爐爐底均設(shè)置爐底封板，其作用是防止煤氣泄漏。從目前統(tǒng)計的情況來看，爐底爐缸開裂導(dǎo)致漏煤氣的原因主要體現(xiàn)在：

1）爐底耐熱基墩材質(zhì)選擇的不合理，基墩異常膨脹導(dǎo)致爐殼開裂。

2）施工原因，如：焊縫質(zhì)量不過關(guān)，灌漿孔沒有堵死等、碳素?fù)v料、冷卻壁與爐殼間澆注料材質(zhì)及施工質(zhì)量把控不嚴(yán)等。

3）高爐堿金屬負(fù)荷過高導(dǎo)致高爐異常上漲，將爐底板拉裂。

前兩條原因都可以通過技術(shù)手段和嚴(yán)格把關(guān)施工質(zhì)量進(jìn)行避免。但如果要控制高爐的堿金屬負(fù)荷將給高爐帶來很大的成本提升，統(tǒng)計發(fā)現(xiàn)高爐的異常上漲是近年來爐底封板開裂的主要原因，這是由于我國進(jìn)口礦的使用比重日益增加，原料堿負(fù)荷很難降低。通過分析研究，確定采用改變爐底封板的結(jié)構(gòu)形式來避免爐底封板的開裂。

1.1 傳統(tǒng)爐底封板結(jié)構(gòu)及其存在的缺點

從目前國內(nèi)眾多的高爐設(shè)計來看，爐底采用水冷結(jié)構(gòu)已形成共識，當(dāng)前主流的爐底水冷方式有兩種：在封板上面設(shè)置冷卻水管， 有三種形式，即：如圖1-1 所示的爐殼不包住基墩和如圖1-2、1-3 所示的爐殼包住基墩兩種設(shè)計，爐殼包住基墩又分封板在耐熱基墩上部（如圖1-2）和封板在耐熱基墩下部（如圖1-3）；在爐底封板下面設(shè)置冷卻水管，有兩種形式，即：如圖2-1 所示的爐殼不包住基墩和如圖2-2 所示的爐殼包住基墩。

圖1 水冷管在封板上結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 水冷管在封板下結(jié)構(gòu)示意圖

在封板上面設(shè)置水管，冷卻效果比較好，然而一旦水管破裂會造成爐底滲水、汽化，碳磚被水蒸氣氧化形成空洞，導(dǎo)致爐底燒穿的重大事故；在封板下方設(shè)置水管，如灌漿不密實，冷卻效果較差。

統(tǒng)計表明：以上幾種結(jié)構(gòu)在高爐冶煉強(qiáng)度較低或原料條件較好的情況下，都不會有大的問題，且均有成功的實施案例。但一旦高爐冶煉強(qiáng)度提高、原料條件變差后，高爐爐底封板總是出現(xiàn)諸多的問題，缺陷就開始暴露。圖1-1、圖2-1 所示的爐底結(jié)構(gòu)沒有包住耐熱基墩，一旦高爐上漲，容易造成爐底封板上翹，給爐缸炭磚帶來嚴(yán)重的損壞。圖1-2、圖2-2 所示的結(jié)構(gòu)中，一旦發(fā)生爐底煤氣泄漏事故，由于爐底封板包在爐殼內(nèi)部，無法發(fā)現(xiàn)泄漏點，即使發(fā)現(xiàn)泄漏點也無法有效的處理。圖1-3 所示的結(jié)構(gòu)可很好的抵御爐殼上漲造成的爐底板上翹，但一旦爐底水冷管發(fā)生泄漏，將對炭磚造成嚴(yán)重的損壞。統(tǒng)計也發(fā)現(xiàn)，爐殼包住耐熱基墩的高爐的抗?jié)q能力優(yōu)于爐殼不包住耐熱基墩的高爐。

1.2 新型爐底封板結(jié)構(gòu)[1]

為解決以上爐底封板存在的問題，提出新型抗?jié)q防漏型爐底爐缸采用底部雙層封板結(jié)構(gòu)和爐缸煤氣阻止裝置，如圖3 所示，其很好地解決爐底爐缸上漲問題，為高爐的安全生產(chǎn)和長壽提供了有力保障。

圖3 新型爐底封板結(jié)構(gòu)示意圖

這種設(shè)計的原理包括：爐底爐缸結(jié)構(gòu)采用上、下雙封板形式，上封板與爐殼采取柔性連續(xù)密封焊接，不僅起到密封爐內(nèi)煤氣的作用，而且防止?fàn)t底冷卻水管漏水浸入爐底碳質(zhì)材料造成對爐底的災(zāi)難性破壞；下層封板與爐殼端口連續(xù)密封焊接，作為防止?fàn)t內(nèi)煤氣泄漏的第二道防線；而且上、下封板與爐殼三者之間形成箱體，箱體及其內(nèi)部密實的混凝土基墩形成整體剛性體。一旦有害金屬隨煤氣環(huán)流在各種縫隙中沉積形成體積膨脹時，由于新型爐底爐缸底部剛性體具有強(qiáng)大的抑制膨脹力，就會擠壓原來的爐底爐缸內(nèi)部，使各種縫隙越來越小，煤氣環(huán)流也就越來越小，繼而有害金屬在各種縫隙中的沉積就越來越小，沒有了有害金屬的沉積膨脹，也就不發(fā)生爐底板上翹和煤氣泄漏問題。而原來的高爐底部采用一層封板的柔性結(jié)構(gòu)，一旦有害金屬在各種縫隙中沉積造成體積膨脹，就會導(dǎo)致底板周圍上翹，繼而爐底爐缸磚襯遭受松動破壞，磚襯松動又會造成縫隙越來越大，有害金屬就會越積越多、膨脹會越來越大，形成惡性循環(huán)，最終導(dǎo)致災(zāi)難性后果。

由于爐底水冷管上部有一層柔性封板，及時發(fā)生爐底水冷管泄漏，也不會爐底炭磚造成損壞。兩層封板間設(shè)置一定數(shù)量的泄壓閥門，用于烘爐和日常生產(chǎn)時的泄壓操作。

2 爐缸結(jié)構(gòu)設(shè)計

爐缸的壽命決定了高爐的壽命，良好的爐缸結(jié)構(gòu)可以為高爐長壽創(chuàng)造良好的條件。當(dāng)前，主流的爐缸結(jié)構(gòu)類型有：全炭磚爐底爐缸結(jié)構(gòu)和陶瓷杯+炭磚結(jié)構(gòu)，其中，陶瓷杯+炭磚結(jié)構(gòu)又分為鑲嵌杯結(jié)構(gòu)和自由杯結(jié)構(gòu)。

2.1 全炭爐底爐缸結(jié)構(gòu)

全炭爐底爐缸結(jié)構(gòu)的工作層一般采用微孔炭磚或超微孔炭磚，這類炭磚具有優(yōu)良的抗渣鐵侵蝕能力、抗堿侵蝕能力、耐鐵水滲透能力、很高的導(dǎo)熱能力等特點，從國內(nèi)外使用實踐來看，采用這類的爐缸、爐底壽命可以達(dá)到15 年以上。目前，炭磚的性能大幅度提升，其抗渣鐵侵蝕、耐堿性、微孔性能、導(dǎo)熱性能等都得到了顯著提升，采用此類型的爐底爐缸結(jié)構(gòu)完全可以滿足高爐長壽的要求。

但是，由于全炭爐底爐缸結(jié)構(gòu)對炭磚的要求較高，目前國內(nèi)采用此類結(jié)構(gòu)的炭磚一般都采用進(jìn)口炭磚，因此建造成本較高。

2.2 陶瓷杯+炭磚結(jié)構(gòu)

陶瓷材料的保溫性能較好，爐缸熱損失小，爐缸熱量充沛。陶瓷杯良好的抗鐵水溶蝕能力，有助于提高爐內(nèi)襯抗鐵水侵蝕能力而實現(xiàn)長壽。對大修高爐的統(tǒng)計表明，很多高爐在已達(dá)到或超過設(shè)計壽命進(jìn)行大修時，爐底陶瓷杯墊保存相當(dāng)完好，證明陶瓷杯+炭磚結(jié)構(gòu)可有效延長高爐壽命，因此陶瓷杯+炭磚結(jié)構(gòu)已成為國內(nèi)高爐的主流結(jié)構(gòu)形式。

2.2.1 鑲嵌杯結(jié)構(gòu)

鑲嵌杯的結(jié)構(gòu)特點是風(fēng)口組合磚壓在陶瓷杯上，在陶瓷杯和風(fēng)口組合磚之間設(shè)有緩沖層用于吸收陶瓷杯的膨脹。鑲嵌杯又分為全鑲嵌杯結(jié)構(gòu)和半鑲嵌杯結(jié)構(gòu)，如下頁圖4 所示。

全鑲嵌杯的設(shè)計特定風(fēng)口組合磚和陶瓷杯的內(nèi)表面齊平，這樣風(fēng)口組合磚將陶瓷杯和爐缸環(huán)炭完全壓住，這樣設(shè)計的缺點是爐缸環(huán)炭的長度偏短。

為解決全鑲嵌杯爐缸環(huán)炭長度偏短的缺點，設(shè)計將陶瓷杯向內(nèi)適當(dāng)移動以加長爐缸環(huán)炭的長度，同時風(fēng)口組合磚僅壓住陶瓷杯1/2 到2/3 的位置，即半鑲嵌式陶瓷杯。

圖4 鑲嵌杯結(jié)構(gòu)示意圖

由于炭磚和陶瓷杯材質(zhì)的膨脹系數(shù)不一樣，實際使用中發(fā)現(xiàn)，采用鑲嵌杯結(jié)構(gòu)時，容易導(dǎo)致風(fēng)口組合磚上翹變形，甚至損壞，因此，以上兩種結(jié)構(gòu)在當(dāng)前高爐的設(shè)計中很少使用。

2.2.2 自由杯結(jié)構(gòu)

自由杯的結(jié)構(gòu)特點是風(fēng)口組合和陶瓷杯完全脫開。自由杯又分為全覆蓋自由杯結(jié)構(gòu)和半覆蓋自由杯結(jié)構(gòu)，全覆蓋自由杯結(jié)構(gòu)的特點是陶瓷杯覆蓋至風(fēng)口組合磚的下沿，半覆蓋自由杯結(jié)構(gòu)的特點是陶瓷杯覆蓋至爐缸中下部區(qū)域，如圖5 所示，自由杯結(jié)構(gòu)有效緩解炭磚和陶瓷杯膨脹不均勻?qū)︼L(fēng)口組合磚的影響。

圖5 自由杯結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.3 分析

陶瓷杯可有效的延長高爐壽命，但是如果設(shè)計不合理，反而會形成局部的異常侵蝕。原因在于：

1）許多高爐爐役終止時的破損調(diào)查發(fā)現(xiàn)，部分地方陶瓷杯還在，而局部的炭磚侵蝕非常嚴(yán)重，形成這種狀況的原因是陶瓷杯的隔熱作用，導(dǎo)致其后面炭磚的不定形材料不易被烘干、焙燒而達(dá)不到足夠的強(qiáng)度，以抵抗煤氣和水蒸氣的氣蝕，降低了爐墻的傳熱能力[2]。

2）如果陶瓷杯發(fā)生局部破損并形成孔洞，孔洞內(nèi)靜止的鐵水會發(fā)生孔洞侵蝕效應(yīng)，反而加快炭磚的侵蝕速度。因此，合理的陶瓷杯的結(jié)構(gòu)設(shè)計顯得更為重要。多年的高爐生產(chǎn)實踐表明，爐缸底部的陶瓷杯墊對延長爐底的壽命有一定的幫助，而爐缸側(cè)部的壽命主要靠環(huán)炭來維持，因此，根據(jù)國內(nèi)高爐的工作的特點和近幾年的設(shè)計經(jīng)驗總結(jié)，本人認(rèn)為半自由杯結(jié)構(gòu)是目前較為合理和經(jīng)濟(jì)的爐底爐缸結(jié)構(gòu)形式。

5 結(jié)論

1）陶瓷杯可延長爐缸的壽命，但如果設(shè)置不合理可能可能帶來負(fù)作用，建議使用進(jìn)口炭磚的可使用全炭爐缸結(jié)構(gòu)或僅帶陶瓷杯墊的爐缸結(jié)構(gòu)，使用優(yōu)質(zhì)國產(chǎn)炭磚的高爐可使用半覆蓋式自由杯爐缸結(jié)構(gòu)。

2）針對當(dāng)前高爐冶煉強(qiáng)度普遍較高，原料條件較差的特點，建議新設(shè)計的高爐采用新型抗?jié)q型爐底結(jié)構(gòu)以防止因上漲導(dǎo)致爐底板上翹和開裂。